【手続補正書】
【提出日】平成18年6月16日(2006.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子を有するインバータ装置に接続されたモータの電流極性を検出するための電流極性検出回路において、インバータの出力端子電圧を低減するレベルシフト回路と、該レベルシフト回路の出力電圧を基準電圧と比較するコンパレータと、上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子が共にオフであるタイミングで、上記コンパレータの出力電圧をラッチすることにより、モータを流れる電流の極性を検出するラッチ回路とを有する電流極性検出回路。
【請求項２】
請求項１記載の電流極性検出回路において、上記レベルシフト回路は、インバータの出力端子電圧が略モータ駆動用電源電圧に等しいとき、所定の電圧レベルの“Ｈ”信号を出力し、モータの出力端子電圧が略ゼロのとき電圧レベルがゼロの“Ｌ”信号を出力することを特徴とする電流極性検出回路。
【請求項３】
請求項２記載の電流極性検出回路において、上記基準電圧の値は、上記レベルシフト回路が出力する“Ｈ”信号の電圧レベルの１／２に設定されていることを特徴とする電流極性検出回路。
【請求項４】
請求項２記載の電流極性検出回路において、上記レベルシフト回路が出力する“Ｈ”信号の電圧レベルは常に一定であることを特徴とする電流極性検出回路。
【請求項５】
請求項１記載の電流極性検出回路において、上記ラッチ回路は、下アームスイッチング素子の制御信号の立ち上がりのタイミングにて上記コンパレータの出力信号を反転し、それを電流極性信号として出力することを特徴とする電流極性検出回路。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの電流極性検出回路を備えたことを特徴とする半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
近年、家庭用電気機器のモータにはインバータ制御されたブラシレスモータが広く採用されている。ブラシレスモータには、通常、ホール素子やホールICなどの位置センサが設けられ、位置センサからの位置情報に基づいてモータのコイルに電圧を印加するように構成されている。モータのコイルに電圧を印加すると、印加電圧とコイルに発生する誘起電圧により決まる電流がコイルに流れる。誘起電圧の大きさはモータの回転速度により変化する。そのため位置センサからの位置情報に基づいて一定のタイミングで電圧を印加すると、コイルに流れる電流の位相は回転速度により変化することになる。誘起電圧の位相と電流の位相がずれると力率が低下し、モータの効率が低下する。これを防止するためには、電流位相と誘起電圧位相を一致させる位相制御を行う必要がある。電流位相はモータの電流を電流センサでモニタすることにより検出することができる。しかしモータ用の電流センサは高価であり、家庭用電気機器に採用することはできない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図１１を参照して図１０の電流極性検出回路の動作を説明する。図１１Ａは、上アーム制御信号ＶＵＴ、図１１Ｂは、下アーム制御信号ＶＵＢを示す。図１１Ｃは、上アームスイッチング素子Ｔ１の動作、図１１Ｄは、下アームスイッチング素子Ｔ４の動作を示す。Ｈがオン、Ｌがオフである。図１１Ｅは、モータ電流ＩＵＭを示す。モータ電流ＩＵＭはモータに流れ込む電流のことであり、モータへ向かって電流が流れ込むとき極性は正、モータから電流が流れ出すとき極性は負である。図１１Ｆは、抵抗Ｒ３の電圧ＶＵＲ、図１１Ｇは、コンパレータＣ２の出力電圧ＶＵＣ、図１１Ｈは、ラッチ回路Ｆ２の出力電圧ＶＵＰを示す。図１１Ｉは、電流をモニタするタイミング、即ち、ラッチ回路Ｆ２がコンパレータＣ２の出力電圧ＶＵＣをラッチするタイミングを示す。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１２は、コンパレータＣ２がオフセット電圧−Ｖｏｆｆを有する場合のタイミングチャートを示す。図１２Ｆに示すように、このコンパレータＣ２は、負のオフセット電圧−Ｖｏｆｆを有する。図１２Ｇに示すように、入力した電圧ＶＵＲがオフセット電圧−Ｖｏｆｆを下回ったときのみ、コンパレータＣ２の出力電圧ＶＵＣは“Ｌ”となる。従って、時点ｔ３では、コンパレータＣ２の出力電圧ＶＵＣは“Ｈ”であり、時点ｔ４になってから“Ｌ”となる。従って、図１２Ｈに示すように、時点ｔ４にて、電流極性信号ＶＵＰは正となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本例では、コンパレータＣ２がオフセット電圧−Ｖｏｆｆを有するため、電流の極性を正確に検出することができない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
図１３及び図１４を参照して、特開平１０−３４１５８８号公報に記載された電流極性検出回路を説明する。図１３の例では、コンパレータＣ３は、インバータの出力端子電圧ＶＵＭを基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。基準電圧Ｖｒｅｆの値は、本回路を安定して動作されるためには通常モータ駆動用電源電圧ＶＤＣの約１／２に設定される。この例では、上アームスイッチング素子Ｔ１及び下アームスイッチング素子Ｔ４が共にオフのとき、下アーム制御信号ＶＵＢの立ち上がりタイミングで、出力端子電圧ＶＵＭをモニタすることにより、電流極性を検出する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
図１４を参照して図１３の電流極性検出回路の動作を説明する。図１４Ａは、上アーム制御信号ＶＵＴ、図１４Ｂは、下アーム制御信号ＶＵＢを示す。図１４Ｃは、上アームスイッチング素子Ｔ１の動作、図１４Ｄは、下アームスイッチング素子Ｔ４の動作を示す。Ｈがオン、Ｌがオフである。図１４Ｅは、モータ電流ＩＵＭを示す。モータ電流ＩＵＭはモータに流れ込む電流のことであり、モータへ向かって電流が流れ込むとき極性は正、モータから電流が流れ出すとき極性は負である。図１４Ｆは、インバータの出力端子電圧ＶＵＭ、図１４Ｇは、コンパレータＣ３の出力電圧ＶＵＣ、図１４Ｈは、ラッチ回路Ｆ３の出力電圧ＶＵＰを示す。図１４Ｉは、電流をモニタするタイミング、即ち、ラッチ回路Ｆ３がコンパレータＣ３の出力電圧ＶＵＣをラッチするタイミングを示す。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本例では、インバータの出力端子に直接コンパレータＣ３を接続している。モータ駆動用電源電圧ＶＤＣが高圧の場合は、出力端子電圧ＶＵＭも高圧となるため、コンパレータＣ３には高圧仕様の特殊なものを使用する必要があり、一般の低圧仕様のコンパレータは使用でききない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
これを回避するためには、モータ駆動用電源電圧ＶＤＣが異なるシステム毎に、基準電圧Ｖｒｅｆを設定する必要がある。また、モータ駆動用電源電圧ＶＤＣが大きく変化するシステムの場合には、モータ駆動用電源電圧ＶＤＣに応じて、基準電圧Ｖｒｅｆを制御する必要が生じる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
電流極性検出回路は、インバータの出力端子電圧を低減するレベルシフト回路と、該レベルシフト回路の出力電圧を基準電圧と比較するコンパレータと、上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子が共にオフであるタイミングで、上記コンパレータの出力電圧をラッチすることにより、モータを流れる電流の極性を検出するラッチ回路とを有する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
レベルシフト回路Ｌ１は、インバータの出力端子電圧ＶＵＭをより低圧に変換して出力する。具体的には、出力端子電圧ＶＵＭが略モータ駆動用電源電圧ＶＤＣに等しいときには、所定の電圧レベルの信号を出力する。以下に、これを“Ｈ”信号と称する。出力端子電圧ＶＵＭが略ゼロのときには、ゼロレベルの電圧信号を出力する。以下に、これを“Ｌ”信号と称する。コンパレータＣ１は、レベルシフト回路の出力電圧ＶＵＬを基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。基準電圧Ｖｒｅｆの値は、本回路を安定して動作されるためには、レベルシフト回路出力電圧ＶＵＬの“Ｈ”信号の電圧レベルの約１／２に設定する。本例では、上アームスイッチング素子Ｔ１及び下アームスイッチング素子Ｔ４が共にオフのとき、下アーム制御信号ＶＵＢの立ち上がりのタイミングにて、レベルシフト回路Ｌ１の出力電圧ＶＵＬをモニタすることにより、電流極性を検出する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図２を参照して図１の電流極性検出回路の第１の例の動作を説明する。図２Ａは、上アーム制御信号ＶＵＴ、図２Ｂは、下アーム制御信号ＶＵＢを示す。図２Ｃは、上アームスイッチング素子Ｔ１の動作、図２Ｄは、下アームスイッチング素子Ｔ４の動作を示す。Ｈがオン、Ｌがオフである。図２Ｅは、モータ電流ＩＵＭを示す。モータ電流ＩＵＭはモータに流れ込む電流のことであり、モータへ向かって電流が流れ込むとき極性は正、モータから電流が流れ出すとき極性は負である。図２Ｆは、インバータの出力端子電圧ＶＵＭ、図２Ｇは、レベルシフト回路Ｌ１の出力電圧ＶＵＬ、図２Ｈは、コンパレータＣ１の出力電圧ＶＵＣ、図２Ｉは、ラッチ回路Ｆ１の出力電圧ＶＵＰを示す。図２Ｊは、電流をモニタするタイミング、即ち、ラッチ回路Ｆ１がコンパレータＣ１の出力電圧ＶＵＣをラッチするタイミングを示す。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図２Ｇのレベルシフト回路Ｌ１の出力電圧ＶＵＬは、図２Ｆのインバータの出力端子電圧ＶＵＭを低減したものである。従って、出力電圧ＶＵＬの振幅は、出力端子電圧ＶＵＭの振幅より小さいが、波形は同一である。出力電圧ＶＵＬの振幅は、基準電圧Ｖｒｅｆより大きくなるように調整される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
本例によると、モータ電流が小さい場合でも微小な電圧を取り扱うことはないため、電流極性は正確に検出できる。本例では、レベルシフト回路Ｌ１によって、インバータの出力端子電圧ＶＵＭを低圧に変換し、変換後の電圧ＶＵＬをコンパレータＣ１に入力する。そのため、モータ駆動用電源電圧ＶＤＣが高圧の場合にも、コンパレータＣ１には一般の低圧のコンパレータを使用することができる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図３は、レベルシフト回路Ｌ１の代わりに定電圧回路を使用した場合の電流極性検出回路の動作を示す。本例では、モータ駆動用電源電圧ＶＤＣは、図２の例の場合の１／２以下である。従って、図３Ｆのインバータの出力端子電圧ＶＵＭは、図２Ｆのインバータの出力端子電圧ＶＵＭより小さい。しかしながら、図３Ｇの定電圧回路出力電圧ＶＵＬの“Ｈ”のときの電圧レベルは、図２Ｇのレベルシフト回路出力電圧ＶＵＬの“Ｈ”のときの電圧レベルと同じである。従って、基準電圧Ｖｒｅｆはモータ駆動用電源電圧ＶＤＣに依らず常に定電圧回路の出力電圧ＶＵＬの“Ｈ”レベルの１／２に設定することができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
図７は、定電圧回路の一例を示す。本例の定電圧回路は、互いに直列に接続されたＮＭＯＳトランジスタＭ１と抵抗Ｒ１を有する。ＮＭＯＳトランジスタＭ１のドレインよりインバータの出力端子電圧ＶＵＭを入力し、ＮＭＯＳトランジスタＭ１のソースより、定電圧回路出力電圧ＶＵＬを出力する。ＮＭＯＳトランジスタＭ１は電流が飽和する範囲内では定電流回路の働きをする。そのため、インバータの出力端子電圧ＶＵＭが“Ｈ”のとき、ＮＭＯＳトランジスタＭ１は抵抗Ｒ１に一定の電流を流し、定電圧回路出力電圧ＶＵＬを一定レベルにする。ＭＯＳトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
図８は、定電圧回路の他の例を示す。本例の定電圧回路は、互いに直列に接続された抵抗Ｒ２とツェナーダイオードＺ１を有する。抵抗Ｒ２の一端よりインバータの出力端子電圧ＶＵＭを入力し、抵抗Ｒ２の他端より定電圧回路出力電圧ＶＵＬを出力する。本例では、ツェナーダイオードＺ１を用いることにより、一定の電圧を出力する。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
図１の第１の例では、レベルシフト回路出力電圧ＶＵＬと基準電圧Ｖｒｅｆの差が微小な場合は、信号を増幅するためにコンパレータＣ１が必要となるが、それ以外の場合はコンパレータＣ１を使用しなくともよい。従って、本例では、コンパレータＣ１が除去されている。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
図９は本発明による電流極性検出回路を用いたインバータ装置を３相モータ速度制御システムに適用した例を示す。３相モータ速度制御システムは、商用電源１を整流するコンバータ２、速度指令部３、３相モータＭ１に設けられた位置センサ４、及び、インバータ装置を有する。インバータ装置は、上アームスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、下アームスイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ３及びＴ４〜Ｔ６を駆動するための駆動回路Ｋ１〜Ｋ３及びＫ４〜Ｋ６、電流極性検出回路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及び、制御部Ｓ１を有する。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６には、還流ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列に接続されている。上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の中点にモータＭ１のコイルの端子が接続されている。３相の各相には、本発明による電流極性検出回路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が設けられている。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
１；商用電源  ２；コンバータ  ３；速度指令部  ４；位置センサ  Ｔ1、Ｔ２、Ｔ３；上アームスイッチング素子  Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６；下アームスイッチング素子  Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３；上アーム還流ダイオード  Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６；下アーム還流ダイオード  Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３；上アーム駆動回路  Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６；下アーム駆動回路  Ｍ１；モータ  Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３；電流極性検出回路  Ｓ１；制御回路  ＶＵＴ、ＶＶＴ、ＶＷＴ；上アーム制御信号  ＶＵＢ、ＶＶＢ、ＶＷＢ；下アーム制御信号  ＶＵＭ、ＶＶＭ、ＶＷＭ；出力端子電圧  ＶＵＰ、ＶＶＰ、ＶＷＰ；電流極性信号  ＶＤＣ；モータ駆動用電源電圧  ＧＮＤ；グランド電位  Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３；ラッチ回路  Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３；コンパレータ  Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３；抵抗  Ｖｒｅｆ；基準電圧  Ｌ１；レベルシフト回路  Ｍ１；ＮＭＯＳトランジスタ  Ｚ１；ツェナーダイオード  ＶＵＣ；コンパレータ出力電圧  ＶＵＲ；抵抗Ｒ３の電圧  ＶＵＬ；レベルシフト回路出力電圧  Ｖｏｆｆ；コンパレータのオフセット電圧  ＩＵＭ；モータ電流